基于Nb/Al材料结构的超导纳米线单光子探测器的光学表征（英文）

本文主要研究了作为可见光和近红外光波段Nb基单光子探测器.在本文中概述了Nb+Al结构的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的制备,并对制备出的SNSPD器件进行了直流表征,测试了其超导转变温度,并从中选取了直流特性良好的样品进行了光学表征.当单光子探测器被一个直流偏置在其临界电流以下并接近临界电流值时,激光器发出的1550nm波段的光子脉冲到达单光子探测器,使其产生电学信号.20nm厚的SNSPD不能对单光子产生反应;5nm厚的SNSPD可以探测单个光子,并且计算了其系统探测效率.     

具有光学结构的超导纳米线吸收效率的仿真

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的系统探测效率由纳米线与光子的耦合效率、纳米线的吸收效率以及纳米线吸收光子后能产生电压脉冲的本征量子效率决定。设计了一种带有防反射层、谐振腔、布拉格反射镜等结构的SNSPD。利用COMSOL软件的射频模块对这种新型结构的SNSPD进行了仿真,结果表明具有光学结构的SNSPD将有助于提高系统探测效率。     

强吸收结构高速超导纳米线单光子探测器

本文研究具有强吸收结构的高速超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的设计与仿真.该SNSPD基于高折射率入射介质和空气腔结构,可以提高超导纳米线的光子吸收率.与现有超导单光子探测器结构相比,在相同材料和厚度的超导超薄膜制成纳米线的条件下,用更低的占空比就可以实现接近于100%的吸收率,这使得电子束曝光步骤的难度大大降低.而SOI衬底的采用则可以同时保证超导薄膜的高质量生长,不影响探测器的本征量子效率.另外,在保证同样大的有效探测面积的条件下,由于需要的纳米线的总长度显著减小,制备过程中发生缺陷的概率显著降低,探测器的最高计数率可以得到提升.     

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。     

自差分交流偏置超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能,在量子信息、激光雷达等方面有广泛的应用.通常, SNSPD工作在直流偏置下,在时域上具有自由运行探测的优点.而在卫星激光测距、单光子激光雷达等光信号到达时间有规律的应用场景中,使用交流偏置有望提升器件运行速率、有效抑制背景暗计数,却存在信号读出困难的棘手问题.本文报道了自差分读出的交流偏置SNSPD系统,该系统包含两根并行排布纳米线构成的2-pixel SNSPD器件.给两根纳米线加载相同的100 MHz交流偏置信号,并对两路输出信号差分使噪声信号相抵消,实现光子响应信号的读出.基于该方法测得,响应信号的信噪比相比差分之前提升10倍,在交流偏置下器件的暗计数降低至直流偏置下的约1/4,计数率达到直流偏置下的约1.5倍.本文为交流偏置SNSPD测试提供了一种思路,为其应用提供参考数据.     

超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型.但是这两种理论都存在一定的缺陷...     

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折...     

NbN薄膜的制备与性能研究

采用磁控溅射和直流偏压二极溅射两种方法制备了NbN薄膜。用XRD和TEM测量比较了两种不同溅射方法获得的NbN薄膜的特点,并测量了NbN薄膜的超导转变温度T_c。采用两种溅射方法都得到了致密、均匀、单一δ相的多晶NbN薄膜,薄膜生长的择优取向受温度和氮气流量的影响很大,薄膜的超导转变温度受溅射室本底真空影响较大。     

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.     

超导纳米线单光子探测器读出电路研究进展

读出电路既是超导纳米线单光子探测器的重要支撑技术,也是扩展其应用场景的关键。概述了常温和低温读出电路的研究进展,简述了其基本结构与工作原理,并从扩展性、热负载、集成度等角度对比分析了各方案的优缺点。结果表明,低温读出电路将是后续研究的重点。     

Improvements of performance on sputter-coated niobium films for superconducting cavities by adding a NbN interlayer

A new type of superconducting film is studied at Peking University in order to improve the properties of sputter-coated films for superconducting cavities. NbN film and NbN–Nb film have been prepared by DC diode sputtering technology at certain nitrogen content and temperature. NbN film is prepared between copper and Nb film as a barrier against copper diffusion into Nb. Micro-structure analyses show that the NbN–Nb films grow well on the copper substrate. The T_c of the Cu–NbN–Nb increases to 9.5 K compared to the 9.2 K transition temperature of bulk Nb.     

Terahertz transmission of NbN superconductor thin film

Transmission of terahertz waves through a thin layer of the NbN superconductor deposited on a sapphire substrate was studied as a function of temperature in zero field as well as in magnetic field perpendicular to the sample. For photon energies lower than optical gap, detailed temperature measurements in zero field provide BCS-like curves with a pronounced peak below the critical temperature. In accordance with the BCS model, the temperature peak disappears as the energy of incident radiation is increased above the gap. In non-zero field, the temperature behavior of transmission is modified because the gap is suppressed and vanishes at upper critical field. In addition, the presence of quantized vortices in the superconducting film substantially changes shape of the temperature curves.     

Performance of a superconducting single photon detector with nano-antenna

<正>The performance of single-photon detectors can be enhanced by using nano-antenna.The characteristics of the superconducting nano-wire single-photon detector with cavity plus anti-reflect coating and specially designed nanoantenna is analysed.The photon collection efficiency of the detector is enhanced without damaging the detector’s speed,thus getting rid of the dilemma of speed and efficiency.The characteristics of nano-antenna are discussed,such as the position and the effect of the active area,and the best result is given.The photon collection efficiency is increased by 92 times compared with that of existing detectors.     

超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注.与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势.目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用.本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.     

94MeV Xe离子辐照引起的薄膜硅光学带隙变化研究

室温下,用94MeV的Xe离子辐照纳米晶和非晶硅薄膜以及单晶硅样品,辐照量分别为1.0×1011,1.0×1012和1.0×1013ions/cm2。所有样品均在室温下用UV/VIS/NIR光谱仪进行检测分析。通过对比研究了纳米晶、非晶、单晶硅样品的光学带隙随Xe离子辐照量的变化。结果表明,不同结构的硅材料中Xe离子辐照引起的光学带隙变化规律差异显著:随着Xe离子辐照量的增加,单晶硅的光学带隙基本不变,非晶硅薄膜的光学带隙由初始的约1.78eV逐渐减小到约1.54eV,而纳米晶硅薄膜的光学带隙则由初始的约1.50eV快速增大至约1.81eV,然后再减小至约1.67eV。对硅材料结构影响辐照效应的机理进行了初步探讨。     

低能离子在C60薄膜中引起的辐照效应

用Raman(拉曼)散射技术分析了120keV的H,Ar和Fe离子在C₆₀薄膜中引起的辐照效应,主要指由晶态向非晶态的转变.分析结果表明,在Fe和Ar离子辐照的C₆₀薄膜中,核碰撞主导了由晶态向非晶态的转变过程.而在H离子辐照的情况下,电子能损起主导作用,并发现在H离子辐照过程中,电子能损有明显的退火效应,致使由晶态向非晶态转变的过程中,经历了一个石墨化的中间过程.     

高能Ar离子辐照PET引起的光吸收变化研究

采用紫外–可见光吸收技术分析和研究了35MeV/uAr离子辐照聚酯膜引起的光吸收改性.结果表明,Ar离子轰击聚酯膜时引起了碳键的共轭体系形成,从而导致了紫外–可见光区域中光吸收明显增加,光吸收增加的幅度依赖于离子的照射剂量、离子在样品中的平均电子能量损失以及光的波长,剂量越高,电子能损越大,光吸收增幅越大;而光的波长越长,光吸收的增加则越不明显.利用测量到的光吸收曲线,同时还定量地研究了各种辐照条件下聚酯膜的光能隙和碳原子团的尺寸.     

95 MeV Oxygen Ion Irradiation Effects on N-Channel Mosfets

The N-channel metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) were exposed to 95 MeV oxygen ions in the fluence range of 5 × 10¹⁰ to 5 × 10¹³ ions/cm². The influence of ion irradiation on threshold voltage (V_TH), linear drain current (I_DLin), leakage current (I_L), drain conductance (gD), transconductance (gm), mobility (μ) and drain saturation current (I_DSat) of MOSFETs was studied systematically for various fluence. The V_TH of the irradiated MOSFET was found to decrease significantly after irradiation. The interface (N_it) and oxide trapped charge (N_ot) were estimated from the subthreshold measurements and were found to increase after irradiation. The densities of oxide-trapped (ΔN_it) charge in irradiated MOSFETs were found to be higher than those of the interface trapped charge (ΔN_ot). The I_DLin and I_DSat of MOSFETs were also found to decrease significantly after irradiation. Studies on effects of 95 MeV oxygen ion irradiation on gm, gD and μ show a degradation varying from 70 to 75% after irradiation. The mobility degradation coefficients for N_it(α_it) and N_ot(α_it) were estimated. The results of these studies are presented and discussed.     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.